ABSTRACT

Titanium alloy has broad application prospects in ocean engineering due to its superior performance. In China, the titanium alloy used in ocean engineering has a relatively perfect system and has been applied partly. Because of many reasons, such as, insufficient application performance data of titanium alloy, incomplete construction rules of ocean engineering component, inadequate plant capacity for producing titanium alloy, small product specifications and high production cost , the marine titanium alloy used in ocean engineering has been limited. With the emphasis on ocean construction, the acceleration of application of titanium alloy in ocean engineering and the reduction of production cost of titanium alloy, the marine titanium will have broader development space in the future.

Keywords:Titanium Alloy, Ocean Engineering, Development Status, Prospect

我国海洋工程用钛合金发展现状及展望

吕利强，席锦会^*，王伟，谢英杰

西部钛业有限责任公司，陕西 西安

Email: ^*xjh825@163.com

收稿日期：2015年5月29日；录用日期：2015年6月19日；发布日期：2015年6月25日

摘 要

钛及钛合金以其优异的性能特点在海洋工程方面有广阔的应用前景，我国海洋用钛合金已有较为完善的合金体系，并有一定的应用。但目前由于应用的性能数据支撑不充足，海洋工程结构件建造规则还不完善，加工设备能力不够、产品规格小以及材料生产成本高等诸多原因，海洋用钛合金尚存在产业化水平低、应用不足的问题。随着国家对海洋建设的重视，钛合金工程化应用程度的加快以及材料成本的降低，未来海洋用钛将有非常大的发展空间。

关键词 :钛，海洋工程，发展现状，展望

1. 引言

随着世界经济的高速发展，人类面临着资源短缺的难题。纵观全球，现有陆地能源与矿物资源的枯竭，已是为期不远的可怕现实。而占地球表面积约71%的蓝色海洋，可提供充足的食物和医药原料，蕴藏着丰富的矿产储量以及占全球总储量约1/3的石油、天然气；而海洋潮汐、海上风能和太阳能等的开发和利用，将为人类活动提供可持续发展的强劲动力[1] 。

开发海洋需要各种装备，而任何装备功能的实现都依赖于材料技术。海洋和陆地不同，海水与海洋大气中含有氯化物和硫化物，对机械装置材料腐蚀作用很大，而深海海水的强大压力，需求设备结构强度高，否则会出现失效。故海洋工程用设备构件，特别是在大深度海水中作业的构件，需要选用比强度高，比韧性好、耐海水腐蚀的材料加工制造 [2] 。

2. 钛在海洋工程应用上的优势

钛，被称为“海洋金属”，其质轻、高强、无磁、耐蚀，特别突出的是耐海水和海洋大气腐蚀，是优异的轻型结构材料，尤其适用于作轻型海工装备用材。钛及钛合金在海洋工程中在推广应用，对提高海洋工程装备的作业能力、安全性、可靠性及技战术水平具有十分重要的意义，是建设海洋强国的重要战略材料之一 [3] 。

与钢铁、不锈钢、铜、铝等常用材料相比，钛材最突出的特点是密度低、比强度高、耐蚀性强；同时还具有优良的耐海水冲刷、无磁性、无冷脆性、高透声系数及有优异的中子辐照衰减性能。在塑性成形、铸造、焊接等方面，与其他常用金属材料一样，可以采用常规的方法进行加工成形，因而使钛金属材料对各类海洋工程具有广泛的适用性。

3. 国内海洋工程用钛合金分类、性能特点及应用

自20世纪90年代以来，我国自主开发了多种海洋工程专用钛合金。经过几十年的发展，我国海洋用钛的研究及应用水平有了很大提高，已形成较为完善的合金体系，按合金屈服强度，可大致分成三个等级：1) 低强钛合金(500 MPa以下)；2) 中强钛合金(500~800 MPa)；3) 高强度钛合金(800 MPa以上)。低强钛合金主要有工业纯钛(TA1-TA3)、TA9、TA10、TA16等；中强钛合金主要有：TA17、TA22 (Ti-31)、ZTA5、TA5-A、TA18、ZTi60、TA23 (Ti-70)、Ti-91、TA24 (Ti-75)等；高强钛合金主要有：ZTC4、TC4、TC4ELI、Ti80、TC10、TC11、TiB19、TB9等。表1为我国海洋用钛及钛合金及其性能。

由于钛及钛合金自身所具备的特性，使其在舰船以及海工装备的应用上具有得天独厚的优势，因而被广泛应用于核潜艇、深潜器、原子能破冰船、水翼船、气垫船、扫雷艇以及螺旋桨推进器、海水管路、冷凝器、热交换器等。如，我国的“和谐”号深海载人深潜器载人球壳的材料就是钛合金；美国、日本、俄罗斯等国深潜器的载人球壳的材料也是钛合金。此外，钛还具有无磁性，能够提高探测仪器及工具的抗磁干扰能力，减小设备装备的磁物理场效应，增加隐蔽性，提高焊接质量和生产效率，这使其在舰船上的应用潜力进一步被发掘出来。

表1. 我国海洋用钛及钛合金及其性能

4. 我国海洋用钛合金的发展现状

目前，我国海洋用钛合金虽然已形成了较为完整的体系，但很多合金尚停留在研发试制阶段，存在产业化水平低、应用不足的问题，与俄罗斯、美国、日本等国相比，还有较大的差距。

我们认为主要有以下几点原因：

1) 没有形成设计院所、材料研究机构、部件成型及应用性能研究单位、舰船建造企业之间的有效协调合作机制，造成目前的应用还处于零星分散的状态，多项关键技术并没有掌握。

2) 海洋工程结构件建造规则还不完善，且缺少材料标准。

3) 在海水及海洋工况中条件下，长期应用的性能数据支撑不充足。

4) 加工设备能力不够，产品规格小，主要是缺少大型管材加工设备，目前海洋用大口径管材还不能生产，不能完全满足海洋用钛大型构件的需要。当前平台的结构件和关键部件及设备均从国外进口。

5) 工程化应用不足，钛加工技术进步缓慢，造成材料生产成本很高。

5. 未来海洋工程用钛材的发展建议和展望

为了促进钛以及钛合金未来能够在海洋工程应用领域进一步发展，建议：1) 将海洋工程用钛纳入国家新材料发展专项，建立海洋工程用钛合金材料及技术研究、应用研究及评价平台，大力推动海洋工程用钛材料的跨越式发展，提升我国海工装备的技术水平升级和发展；2) 从国家层面推动海洋工程用钛设备的设计准则、技术体系、应用技术标准、规范；3) 深化对现有钛合金的研究，并开展新工艺和新技术研究，着重解决焊接、成型、表面处理等工程应用技术问题，大力开发钛合金低成本化生产技术；4) 优化和完善我国船用钛合金体系，建立船用钛合金性能数据库，为海洋工程用钛及钛合金的选材提供丰富的数据支持；5) 加大对钛合金生产企业的投资力度，加快钛合金加工企业的装备向高精化、自动化、大型化的改造进程。

目前，海洋用钛合金材料的用量仅占约2%，如果我国能达到俄罗斯舰船用钛量15%~20%的比例，船用钛的市场需求量将会非常庞大，保守估计钛的市场应该在千亿元左右。石油勘探与开采领域是钛合金应用的又一个具有巨大潜力的目标市场，仅一座海上石油钻井平台用钛量就可达到1500~2000吨。根据规划，我国未来3~5年将建设70座左右的海上石油钻井平台，如果采用钛材料，钛的用量将会达到14万吨左右。此外，在海水淡化以及滨海电站方面，由于我国目前海水淡化以及滨海电站市场需求巨大，在进一步降低钛合金成本以及提高产品质量稳定性的情况下，钛的市场应用前景将非常广阔。

6. 结语

1) 我国海洋用钛合金虽然已形成了较为完整的体系，且钛及钛合金在我国航洋工程上已经有了较多的应用，但与俄罗斯、美国、日本等国相比，还有较大的差距，需进一步加快海洋用钛的研发、应用步伐，以提升我国舰船及海工装备的发展水平；

2) 我国海洋用钛材的需求量巨大，市场前景广阔，有很大的发展空间。

文章引用

吕利强,席锦会,王 伟,谢英杰, (2015) 我国海洋工程用钛合金发展现状及展望
Development Status and Prospect on Application of Titanium Alloy in Ocean Engineering. 冶金工程,02,89-92. doi: 10.12677/MEng.2015.22014

参考文献 (References)